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基于MISTY结构的可调分组密码的设计与分析

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通信学报 2010年第7期31卷 76-80,87页

作者：温凤桐山东大学计算机科学与技术学院山东济南250101 济南大学理学院山东济南250022

对如何不借助于现有的分组密码来直接设计可调分组密码进行了研究。通过在MISTY结构的不同位置添加一个标号,分析了在4轮和5轮MISTY结构上设计可调分组密码的可行性。对4轮结构提出了攻击的方法;对5轮结构提供了安全性理论证明。结果表... 详细信息

对如何不借助于现有的分组密码来直接设计可调分组密码进行了研究。通过在MISTY结构的不同位置添加一个标号,分析了在4轮和5轮MISTY结构上设计可调分组密码的可行性。对4轮结构提出了攻击的方法;对5轮结构提供了安全性理论证明。结果表明,在选择明文攻击下,5轮MISTY结构才能提供安全的可调分组密码。

关键词：密码学分组密码伪随机置换可调分组密码 MISTY结构

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基于可调分组密码的单密钥保长加密方案

基于可调分组密码的单密钥保长加密方案

作者：张向阳上海交通大学

学位级别：硕士

本文围绕分组密码的工作模式进行研究,旨在设计出一种更高效的可变长度输入的密码方案。分组密码是密码学的一个重要分支,加解密的实现比较简单,并且速度很快,已经广泛应用于信息安全领域。典型的分组密码算法如AES(Rijndael加密算法)... 详细信息

本文围绕分组密码的工作模式进行研究,旨在设计出一种更高效的可变长度输入的密码方案。分组密码是密码学的一个重要分支,加解密的实现比较简单,并且速度很快,已经广泛应用于信息安全领域。典型的分组密码算法如AES(Rijndael加密算法)是美国联邦政府的高级加密标准,并且已经在世界范围内广泛传播使用。AES的应用范围从电子邮件加密到转账业务,与我们的生活密切相关。2002年,可调分组密码的概念被提出。可调分组密码与传统分组密码相比,前者的参数除了明文P和密钥K外,还多了一个“调柄”,这个“调柄”和其他某些密码结构中的初始化向量或“nonce”相似,使可调分组密码有了更大的灵活性。分组密码的工作模式设计是对称密码学的核心研究之一。由于分组密码一次只能处理固定长度的消息,如果想处理超过分组长度的消息,就必须对分组密码进行迭代。而迭代方式就称为分组密码的工作模式(mode of operation)。分组密码的工作模式有很多,常见的有计数器(CTR)模式、密文反馈(CFB)模式和密文分组链接(CBC)模式等。简单的分组密码迭代只能处理分组长度整数倍的消息,如果待加密的消息长度不是分组长度整数倍,就需要改进工作模式或者设计新的工作模式。另外,一些机密应用程序要求加密后的密文保持明文的长度,为了实现这一目的,就必须设计密码方案(cipher)。密码方案(cipher)是一簇带密钥的置换,包括加密算法和解密算法两部分。密码方案(cipher)通常也被称为“加密方案”。与消息认证码(MAC)、签名(signature)等许多其他原语相比,从分组密码等一些固定输入长度(FIL)密码方案构建可变长度输入(VIL)密码方案并不容易,“填充(padding)”等技术均不能达到这个目的。到目前为止,已经有一些方案陆续被提出。很多方法(例如HEH方案、EME方案,EME方案、TET方案等)都是用了密文窃取(ciphertext stealing)这一技巧,还有部分方案使用了基于计数器的伪随机函数,例如XCB方案、HCTR方案和HCH方案。但是这些方案都是专用方案,并不能直接应用于分组密码已有的工作模式中。后来Ristenpart和Rogaway的XLS结构基于分组密码构建了一个可以处理长度为[n,···,2n-1]的明文消息的加密算法。这种能处理长度从n到2n-1的明文消息的可变长度输入(VIL)密码引起了部分密码学研究者的兴趣。这种可变长度输入(VIL)密码将可处理的消息大小增加了将近1倍,因此称之为“length doubler”。遗憾的是,XLS构造已被Nandi证明不是一个强伪随机置换(SPRP)。破解XLS构造之前,Nandi已经提出了他的构造DE。2012年,Haibin Zhang提出了HEM和THEM构造,其中THEM构造第一次在length doubler中引入调柄。在2018年,Chen等人发表在FSE上的一篇论文中提出了一个新的length doubler——“LDT”,LDT第一次将可调分组密码作为底层密码使用,使我们的研究受到了很大的启发。本论文分析了Chen等人的length doubler LDT结构,研究了该结构优化的可能性,最终从减少密钥提高效率的方向提出了一种基于可调分组密码的单密钥Length Doubler,称之为“SLDT”。它是一个可以处理n至2n-1比特字符串的保长密码方案。SLDT减小了LDT的密钥长度,而密钥管理在实践中总是具有很大挑战性。同时,本论文实现了和LDT同样的安全性,即如果底层的可调分组密码是可调强伪随机置换(TSPRP),那么SLDT也是可调强伪随机置换(TSPRP)。

关键词： length doubler SLDT 可调分组密码单密钥可证明安全生日界安全工作模式

基于Lai-Massey变体结构的可调分组密码的设计与分析

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四川大学学报（自然科学版） 2015年第3期52卷 563-566页

作者：赵伟汤殿华保密通信重点实验室成都610041 四川大学数学学院成都610064

Lai-Massey结构(L-M结构)是分组密码中一类重要的整体结构,任意轮的L-M结构都不具备伪随机性.Vaudenay通过对L-M结构做一个简单变换,使得3轮L-M变体结构具备伪随机性,并在FOX分组密码的设计中采用此变体结构.该文针对基于L-M变体结构来... 详细信息

Lai-Massey结构(L-M结构)是分组密码中一类重要的整体结构,任意轮的L-M结构都不具备伪随机性.Vaudenay通过对L-M结构做一个简单变换,使得3轮L-M变体结构具备伪随机性,并在FOX分组密码的设计中采用此变体结构.该文针对基于L-M变体结构来设计可调分组密码进行了研究.通过在L-M变体结构的不同位置异或可调因子(tweak),分析了3轮基于L-M变体结构设计可调分组密码的可行性.对3轮结构提出了攻击的方法.

关键词：分组密码可调分组密码 Lai-Massey结构伪随机性

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两类可调分组密码的不可能差分分析方法研究

两类可调分组密码的不可能差分分析方法研究

作者：洪豆战略支援部队信息工程大学

学位级别：硕士

分组密码是密码学的一个重要分支,在信息安全领域得到了广泛应用。在如今计算机与网络通信飞速发展的时代,分组密码已成为保障网络和信息安全的核心技术和基础支撑,在消息鉴别、身份认证、安全隔离、密钥管理数据完整性保护和抗抵赖性... 详细信息

分组密码是密码学的一个重要分支,在信息安全领域得到了广泛应用。在如今计算机与网络通信飞速发展的时代,分组密码已成为保障网络和信息安全的核心技术和基础支撑,在消息鉴别、身份认证、安全隔离、密钥管理数据完整性保护和抗抵赖性等方面发挥着其他技术手段无法替代的关键作用。分组密码在系统应用中通常作为“模块操作”形式加密,当密钥为固定的秘密值时,一旦算法存在安全威胁,整个加密系统安全性便难以保证。为增加密码算法的灵活可变性,使密码算法与终端设备的能量、存储、计算能力等软硬件表现相适应,一种新的分组密码概念—可调分组密码产生,并成为密码研究者们研究的热点之一。本文主要围绕可调分组密码算法进行研究,针对两类可调分组密码—SKINNY算法和Deoxys-BC算法,利用S盒等密码算法基本组件的性质和可调密钥扩展算法的性质,结合并行技术和早夭技术,分析它们抵抗不可能差分攻击的能力。主要工作包括:1.研究了SKINNY算法的不可能差分攻击。首先,在区分器输入输出只有一个活动块的情况下,利用中间相错技术寻找到SKINNY算法最长长度达到11轮的所有16个截断不可能差分路径。其次,选择其中一条不可能差分路径,在单密钥条件下针对20轮SKINNY-64-128进行不可能差分分析。利用S盒差分性质及SKINNY算法列混合变换的性质进行密钥猜测,结合密钥编排算法存在的“周期性质”,推导得出的轮可调密钥块之间的线性关系,将分析过程中需猜测的可调密钥块数量由45个减少至33个。最后,利用并行攻击技术和早夭技术,有效降低了攻击的时间复杂度。攻击需要2个选择明文对,存储量为2个半字节,时间复杂度为2次加密。相比于已有SKINNY不可能差分分析结果,选择明文数量和攻击时间复杂度有一定改进。2.研究了Deoxys-BC算法的不可能差分攻击。采用中间相错方法寻找到Deoxys-BC算法的4轮不可能差分区分器,而后构建并优化不可能差分攻击路径。利用并行攻击技术和早夭技术,结合S盒差分性质和列混合变换性质,实现了对8轮Deoxys-BC-256的不可能差分分析。通过分析可调密钥编排,在攻击涉及到的可调轮子密钥中提取出4个存在线性关系的密钥集合,从而将需要猜测的可调轮子密钥字节数量由20个减少至16个,有效减少了猜测密钥数量。攻击需要2个选择明文,存储量为2字节,时间复杂度为2次加密,是首个对Deoxys-BC-256的不可能差分分析的尝试。

关键词：可调分组密码不可能差分分析并行攻击技术早夭技术 SKINNY算法 Deoxys-BC算法

改进的减轮Kiasu-BC算法的中间相遇攻击

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通信学报 2022年第7期43卷 41-48页

作者：李曼曼陈少真信息工程大学网络空间安全学院河南郑州450001 密码科学技术国家重点实验室北京100878 河南省网络密码技术重点实验室河南郑州450001

Kiasu-BC算法是加密认证竞赛CAESAR第一轮入选方案Kiasu的内置可调分组密码。Kiasu-BC算法是基于AES-128轮函数构造的可调分组密码算法,通过对Kiasu-BC算法的结构特征进行研究,利用调柄自由度以及内部密钥间的制约关系,降低预计算的复... 详细信息

Kiasu-BC算法是加密认证竞赛CAESAR第一轮入选方案Kiasu的内置可调分组密码。Kiasu-BC算法是基于AES-128轮函数构造的可调分组密码算法,通过对Kiasu-BC算法的结构特征进行研究,利用调柄自由度以及内部密钥间的制约关系,降低预计算的复杂度。结合差分枚举技术,构造新的5轮中间相遇区分器,改进Kiasu-BC算法的8轮中间相遇攻击。改进后攻击的时间复杂度为2^(114),存储复杂度为2^(63),数据复杂度为2^(108)。

关键词：可调分组密码 Kiasu-BC算法中间相遇攻击差分枚举

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改进的基于MISTY结构的可调分组密码

枣庄学院学报 2011年第5期28卷 17-19页

作者：张群李杰霍承钢宿州学院数学与统计学院安徽宿州234000

通过对基于MISTY结构的可调分组密码体制研究,利用Zn上的m阶可逆矩阵提出一种改进的可调分组密码体制,并且对提出的方案进行了安全性分析,结果证明5轮以上,Zn(n≥30)上的m(m≥4)

关键词：分组密码可调分组密码 MISTY结构可逆矩阵

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21轮CRAFT算法不可能差分分析

计算机应用研究 2021年第9期38卷 2825-2830页

作者：石新蕾刘亚陆海宁王凌云上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093 上海理工大学上海市现代化光学重点实验室上海200093 上海交通大学计算机科学与工程系上海200240 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 上海观源信息科技有限公司上海200241

CRAFT是FSE 2019年提出的一种轻量级可调分组密码,适用于硬件实现面积小且资源受限设备保护信息的安全。该算法使用128 bit密钥和64 bit调柄值加密64 bit明文,对其进行安全性评估,可以为日后使用提供理论依据。通过研究CRAFT的结构特点... 详细信息

CRAFT是FSE 2019年提出的一种轻量级可调分组密码,适用于硬件实现面积小且资源受限设备保护信息的安全。该算法使用128 bit密钥和64 bit调柄值加密64 bit明文,对其进行安全性评估,可以为日后使用提供理论依据。通过研究CRAFT的结构特点和密钥编排方案的冗余性,利用预计算表、等效密钥和轮密钥线性关系等技术,选取一条充分利用密钥冗余性的13轮不可能差分链,在其前后分别接3轮和5轮,提出了对21轮CRAFT的不可能差分分析。攻击的时间、数据和存储复杂度为296.74次加密,253.6个选择明文和256.664-比特块。此攻击是对缩减轮CRAFT算法在单密钥和单调柄值情形下时间复杂度最低的分析。该方法依赖于调柄值调度算法的线性相关,有助于更进一步理解CRAFT的设计。

关键词：轻量级分组密码可调分组密码 CRAFT 不可能差分分析

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8轮Kiasu-BC的多重不可能差分攻击

密码学报 2018年第4期5卷 359-367页

作者：蒋梓龙金晨辉信息工程大学郑州450002

Jean等人在2014年亚密会上提出可调密钥的算法框架,并在AES-128基础上,新增64比特调柄,得到了新的可调分组密码——Kiasu-BC.算法设计者声称Kiasu-BC相较于其它基于AES的可调分组密码而言,算法结构更简洁、加密过程更高效,并在2014年提... 详细信息

Jean等人在2014年亚密会上提出可调密钥的算法框架,并在AES-128基础上,新增64比特调柄,得到了新的可调分组密码——Kiasu-BC.算法设计者声称Kiasu-BC相较于其它基于AES的可调分组密码而言,算法结构更简洁、加密过程更高效,并在2014年提交至CAESAR竞赛.因此,对可调分组密码的设计而言,研究新增调柄的安全性,具有极其重要的意义.本文借鉴了调柄生成的非零差分会抵消攻击路径差分的思想,提出了在单密钥模式下对8轮Kiasu-BC的多重不可能差分攻击.利用构造的三条攻击路径,可重复使用明文对轮密钥进行多次筛选,从而提高轮密钥筛选效率.此外,我们综合运用了一系列技术如"early abort"技术、明文早夭技术、基于密钥扩展方案的轮密钥筛选技术等,改进了Kiasu-BC算法不可能差分攻击的时间、数据和存储复杂度.本文的时间、数据和存储复杂度分别为2^(115.5)次8轮加密和2^(109.8)次查表、2^(116)选择明文和2^(97.6)字节.这是已知对Kiasu-BC最好的不可能差分攻击结果.

关键词：多重不可能差分可调分组密码 Kiasu-BC CAESAR竞赛明文早夭技术

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基于改进HFC方案的ccAEAD算法

基于改进HFC方案的ccAEAD算法

作者：赵晴晴兰州交通大学

学位级别：硕士

随着对安全性和隐私权担忧的增加,用户正在寻找保护帐户安全的方法。于是包括Whats App,Facebook Messenger,Signal等在内的端到端加密消息系统已经越来越流行,现在数十亿人依靠它来保证安全。最近端到端的加密消息系统出现新的安全措... 详细信息

随着对安全性和隐私权担忧的增加,用户正在寻找保护帐户安全的方法。于是包括Whats App,Facebook Messenger,Signal等在内的端到端加密消息系统已经越来越流行,现在数十亿人依靠它来保证安全。最近端到端的加密消息系统出现新的安全措施。恶意发送者可能会发送骚扰消息。当恶意发送者发送骚扰信息、恶意软件或任何不适当的内容时,应允许接收者向提供商报告该内容,以阻止发送者。端到端加密会阻止提供商验证所报告的消息是否是所发送的消息。因此Facebook在端到端加密消息系统中引入的一种加密方案,称之为消息邮戳,它允许用户以可验证的方式报告滥用情况。Grubbs等人正式定义了所需的新原语,称之为使用关联数据紧凑提交的认证加密（compactly committing authenticated encryption with associated data,ccAEAD）,Dodis等人引入了一个名为Encryptment的新原语,将其作为ccAEAD的核心构建块。Encryptment算法是一种一次性加密机制,只需要使用具有单个密钥的块密码进行单次传递。同时它可以对消息进行加密并将其紧凑地提交给消息。本文具体的研究内容如下:（1）Encryptment算法是基于哈希函数链（hash-function-chaining,HFC）方案的,它可以被看作是固定输入长度压缩函数的一种操作模式,如同基础的SHA-256或其他Merkle-Damg（?）rd构造的算法一样。其隐藏的压缩函数应该是一个安全的伪随机函数来抵抗相关的密钥攻击。针对此问题,本文中提出了一种基于HFC的Encryptment算法的改进算法。该算法在此基础上对HFC方案的压缩函数加入了使用可调整分组密码（Tweakable Block Ciphers,TBC）的DBL结构形成新的方案,称之为“微调哈希函数链（tweak-hash-function-chaining,THFC）”。它遵循HFC方案,并使用Merkle-Damg（?）rd哈希函数。与Hirose同样提到的DBL实例化压缩函数不同,本文中将众所周知的Hirose DBL方案和Merkle-Damg（?）rd的组合起来,构成压缩函数。因为在这种情况下,获得的模式完全基于TBC的,这可能会降低实现成本。还可以在一定程度上增加算法的复杂性以提高算法的安全性。本文通过保密性,绑定性和不可伪造性对其进行了安全性的分析。此外本文使用了先提交再加密（Commit-then-Encrypt,CtE）的方法将基于THFC方案的Encryptment算法安全地转换为ccAEAD算法,文章最后同样验证了其安全性。与Dodis等人的方案相比,改进后的方案对相关密钥攻击的抵抗性更强。因为攻击者无法直接选择基础TBC的tweak值。（2）Dodis等人在提出的ccAEAD算法使用DM-AES实例化压缩函数,虽然在使用AES-NI的系统上,使用DM-AES实例化的HFC将具有非常好的性能,但由于需要对每个块重新密钥,其速度不如AES-GCM或OCB快。针对此问题,本文选用Deoxys-BC实例化TBC来验证使用THFC的ccAEAD算法。Deoxys-BC在软件中表现良好,且在大多数处理器上都比AES-GCM快。因为该处理是基于AES密码的Deoxys-BC,这意味着同样要使用AES-NI指令作为高性能的软件实现方式。因此我们启用AES-NI,使用gcc v4.8.1编译在Linux上,并使用Intel处理器系列的Intel Sandy Bridge测试了其速度。因为Deoxys-BC实际上是实例化使用TBC的压缩函数,因此实验数据与同样需要Deoxys-BC实例化压缩函数的Deoxys算法进行了比较。本文基于改进HFC方案的ccAEAD算法不仅在安全性上对相关密钥攻击的抵抗更强,而且通过更优的算法Deoxys-BC进行实例化,具有一定的价值。

关键词：端到端加密 Encryptment ccAEAD 可调分组密码 Deoxys-BC